WO2015145054A2 - Implantable biocompatible reactor - Google Patents

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WO2015145054A2
WO2015145054A2 PCT/FR2015/050725 FR2015050725W WO2015145054A2 WO 2015145054 A2 WO2015145054 A2 WO 2015145054A2 FR 2015050725 W FR2015050725 W FR 2015050725W WO 2015145054 A2 WO2015145054 A2 WO 2015145054A2
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compression
bioreactor
powder
enzyme
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Sarra EL ICHI
Donald K. MARTIN
Philippe Cinquin
Abdelkader Zebda
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Universite Joseph Fourier
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Definitions

  • the present invention relates to an implantable reactor in vivo, at which a reaction between elements confined in this reactor and compounds present in the host organism is likely to occur. This reaction may for example lead to a deformation of the reactor, to the generation of an electrical potential, or to the chemical transformation of the compound interacting with the reactor.
  • a reactor leading to the generation of an electric potential may constitute an electrode of a biopile or a biosensor, of the sugar-oxygen type, for example glucose-oxygen.
  • a reactor leading to the chemical transformation of a compound interacting with the reactor will for example constitute a glucose killer, for example by transforming glucose into a compound that will be eliminated by the body.
  • each electrode, anode and cathode corresponds to an enclosure containing a liquid medium in which a wire élec ⁇ trode.
  • the anode and cathode enclosures are delimited by membranes which can be traversed by hydrogen and oxy ⁇ gene but avoiding traffic other heavier elements.
  • the anode comprises in a solution an enzyme and a redox mediator.
  • the enzyme is capable of catalyzing the oxidation of sugar and is for example selected from the group comprising glucose oxidase if the sugar is glucose and lactose oxidase if the sugar is lactose.
  • the redox mediator has a low redox potential capable of exchanging electrons with the anode enzyme and is for example selected from the group comprising: ubiquinone (UQ) and ferrocene.
  • the cathode also comprises in a solution an enzyme and preferably a redox mediator.
  • the enzyme is capable of catalyzing the reduction of oxygen and is for example selected from the group comprising: polyphenol oxidase (PPO), laccase and bilirubin oxidase.
  • PPO polyphenol oxidase
  • the redox mediator has a high redox potential capable of exchanging electrons with the cathode enzyme and is for example chosen from the group comprising: hydroquinone (QH2) and 2,2'-azinobis- (3-ethylbenzo-thiazoline-6) -sulfonate) (ABTS).
  • biopiles using such electrodes especially when they are implanted in a living being, have had a short life.
  • anode and cathode pellets of a biopile from a compression of a conductor such as graphite and an enzyme to which is added a redox mediator.
  • the cathode and the anode, and preferably all of the anode and the cathode, are surrounded by a semi-permeable enclosure, for example of the type used in dialysis, to pass glucose and oxygen. and do not let enzymes and redox mediators pass.
  • the conductive material from which are made the compres sion ⁇ anode and the cathode of compression is indicated as graphite or a conductive polymer.
  • Figure 1 reproduces Figure 2 of this prior patent. It shows an anode pellet A and a cathode pellet K integral respectively conductors 1 and 3.
  • the anode is surrounded by a semipermeable membrane 11, the cathode of a semipermeable membrane 12 and the together is surrounded by a semi-permeable membrane 13.
  • the conductor consists of carbon nanotubes.
  • the pressure applied during the first and second compression is in a range of 2000 to 6000 kPa.
  • the solution comprises from 0.002 to 0.005% by weight per volume of genipin.
  • the solution comprises from 0.001 to 0.005% by weight per volume of caffeic acid.
  • a bioreactor is also provided in which a porous membrane based on chitosan is placed on the active face and adhered to the periphery thereof.
  • the bioreactor is a lozenge-shaped bioelectrode in which a conductor is bonded via a conductive adhesive to the face of the tablet opposite to the active face.
  • the membrane comprises pores with an average diameter of the order of 1 to 10 nanometers.
  • the membrane comprises a smooth face facing the pellet and a rough face facing outwards.
  • Figure 1 corresponds to Figure 2 of European Patent EP 2 375 481;
  • Figures 2A and 2B are respectively a sectional view and a top view of an embodiment of an electrode.
  • FIG. 3 represents current characteristics as a function of time of various biopiles.
  • a bioelectrode tablet not from the compression of only one conductor and an enzyme, but from a compression of chitosan, an enzyme and a conductor and possibly a redox mediator and other additives.
  • the conductor may advantageously consist of multiwall carbon nanotubes (MWCNT - MultiWalled Carbon NanoTubes).
  • a mixture of powders of an enzyme and of carbon nanotubes is initially prepared, the proportion of enzyme powder relative to the carbon nanotube powder being of the order of 50/50 by weight, this proportion possibly varying approximately 20%.
  • a viscous chitosan solution is also prepared by adding chitosan powder in acetic acid diluted to 0.5 volume%, heated to 50 ° C, and stirring for 2 hours at room temperature.
  • the viscous chitosan is added to the powder mixture in a weight ratio of 2 for the powder to 3 for chitosan.
  • a pellet for example, 0.04 gram of powder and 0.06 gram of chitosan will be used.
  • a mixture of the powder and the chitosan in the viscous state is made and a first compression is carried out and then a light grinding.
  • a second compression is then performed, which, like the first compression, is carried out at a pressure selected in the range of 2000 to 6000 kPa to provide a pellet, followed by drying for two to four days at room temperature (20 ° C). 30 ° C) so that the whole polymerizes.
  • a crosslinking agent for example genipin at 0.0045% by weight per volume (g / 100 ml) in the viscous solution of chitosan after 2 hours of stirring.
  • the genipin is first solubilized in a solution of 12% dimethylsulfoxide (DMSO) and 88% water (H 2 O).
  • DMSO dimethylsulfoxide
  • H 2 O water
  • the caffeic acid is previously solubilized at 4% in ethanol.
  • the solution is allowed to stir for 30 min before taking 3 g to spread on the smooth support for drying as previously described.
  • a feature of the process described herein is that during the second compression and drying, the chitosan is made into interconnected long fibers with a diameter of about 30 nm. It will be emphasized that a three-dimensional nanofibrous and nanoporous network is obtained simply by compression of the polymer with the powder and evaporation of the solvent at room temperature. As a result, the enzyme and carbon nanotubes are immobilized in the chitosan fiber matrix and do not migrate out of the pellet.
  • a biocathode comprising only a conductor and an enzyme, as described in the aforementioned prior patent, has a 1-month stability in batch operation.
  • bioelectrode described here provides the enzyme with a protective environment for its activity but also retains the enzyme within the electrode pellet and near the carbon nanotubes for electrical conduction.
  • the porosity of the three-dimensional matrix of chitosan allows a good diffusion of the substrates of the enzyme.
  • the polymer may be chitosan or other biocompatible polymer, for example: polyvinyl alcohol, poly (methylmethacrylate), gelatin, dextran, or copolymers such as chitosan-polyethylene glycol or a mixture of these polymers.
  • the method of manufacturing conductive polymer and enzyme electrodes can be applied to the cathode or the anode.
  • Different enzymes can be immobilized in this structure: laccase, bilirubin oxidase, polyphenol oxidase, glucose oxidase, glucose dehydrogenase, catalase, peroxidase.
  • the electrode is in the form of a tablet 20 having for example a circular shape in plan view, a diameter of 0.5 to 1 cm and a thickness of 0.5 to 2 mm.
  • a conductive strip 22 for example by a conductive adhesive, for example a carbon paste 24 itself coated with a protective layer of silicone adhesive 25, selected from biocompatible glues.
  • a membrane 26 bonded at its periphery to the pellet by a ring of silicone glue 28.
  • membrane 26 a membrane based on chitosan.
  • This membrane is for example obtained starting from a solution in a ratio of 5 to 15, for example 10 (in mg) of chitosan at 0.75 to 1.25, for example 1 (in ml) of diluted acetic acid. 0.4 to 0.6% by volume in water and heated to 50 ° C. In one test, 200 mg of chitosan were dissolved in 20 ml of acetic acid diluted to 0.5% by volume in water. This mixture is stirred for two hours.
  • a flexible nanoporous film is thus obtained.
  • this flexibility is related to the fact that the drying is carried out for a long time at ambient temperature. This characteristic is not obtained for example if drying temperatures above 40 ° C are used.
  • a film thickness of the order of 7 to 15 ⁇ m, for example 10 ⁇ m obtained a porous membrane with average pore diameters of the order of 1 to 10 nanometers. It is preferable to place oneself in conditions where this average diameter is of the order of 5 to 8 nm in order to allow the glucose to pass and to filter the compounds of larger dimensions.
  • a crosslinking agent for example genipin
  • an acid-resistant agent for example caffeic acid
  • the film obtained has a difference in roughness between the two faces which is due to the fact that one of the faces (the rougher) has been in contact with the air and not the support (smooth side).
  • the rough surface will preferably be placed outwards with respect to the surface of the bioelectrode pellet.
  • the difference in roughness on a thin film influences the ion diffusion and consequently the electrical resistivity.
  • the inventors have shown that the chitosan film has good ionic conductivity (10 ⁇ 4 S. cm -1 ). This ionic conductivity is better than that obtained with commercial membranes such as National or cellulose acetate.
  • the chitosan film described here makes it possible, by virtue of its mechanical properties, in particular its flexibility and its adequate degree of swelling, to confer a mechanical stability on the electrode by marrying the surface of the pellet after swelling thereof in the liquid. It confers a biocompatible interface to the tissue contact after implantation of the biopile. It constitutes an effective barrier against a possible release of the constituents of the electrode on the one hand, and against the biological molecules coming from the extracellular liquid.
  • the pore diameter can be adjusted by modifying: the concentration of the chitosan in the solvent (acetic acid), the ratio chitosan / crosslinking agent, the molecular weight of the chitosan powder placed in the initial solution of acetic acid.
  • Figure 3 shows a current characteristic in mA / ml (the milliliters corresponding to the volume of the pellet) as a function of time in days for various biopiles. Curve A corresponds to the case where a cellulose acetate membrane was used, curve B in the case where a National membrane was used, and curve C in the case where a chitosan-based membrane was used such that previously described.

Abstract

The invention concerns a bioreactor obtained by compressing a mixture of an enzyme, a conductor and chitosan. The conductor can consist of carbon nanotubes. This bioreactor can be produced according to the following steps: preparing a mixture of powders in which the proportion of enzyme powder relative to a carbon nanotube powder is of the order of 50/50 by weight; preparing a viscous solution of chitosan in a ratio of 5 to 15 (in mg) of chitosan to 0.75 to 1.25 (in ml) of acetic acid diluted to 0.4 to 0.6 % by volume in water; adding the viscous chitosan to the mixture of powders in a proportion be weight of 3 to 5 of powder to 5 to 10 of chitosan; carrying out a first compression followed by light grinding; carrying out a second compression to produce a pellet; and drying at ambient temperature.

Description

RÉACTEUR IMPLANTABLE BIOCCMPATIBLE  IMPLANTABLE BIOCCMPATIBLE REACTOR
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR14/52534 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description. The present patent application claims the priority of the French patent application FR14 / 52534 which will be considered as an integral part of the present description.
Domaine Field
La présente invention concerne un réacteur implantable in vivo, au niveau duquel est susceptible de se produire une réaction entre des éléments confinés dans ce réacteur et des composés présents dans l'organisme hôte. Cette réaction peut par exemple conduire à une déformation du réacteur, à la génération d'un potentiel électrique, ou à la transformation chimique du composé interagissant avec le réacteur.  The present invention relates to an implantable reactor in vivo, at which a reaction between elements confined in this reactor and compounds present in the host organism is likely to occur. This reaction may for example lead to a deformation of the reactor, to the generation of an electrical potential, or to the chemical transformation of the compound interacting with the reactor.
Un réacteur conduisant à la génération d'un potentiel électrique pourra constituer une électrode d'une biopile ou d'un biocapteur, de type à sucre-oxygène, par exemple à glucose- oxygène .  A reactor leading to the generation of an electric potential may constitute an electrode of a biopile or a biosensor, of the sugar-oxygen type, for example glucose-oxygen.
Un réacteur conduisant à la transformation chimique d'un composé interagissant avec le réacteur constituera par exemple un destructeur de glucose (glucose killer) en transformant par exemple du glucose en un composé qui sera éliminé par l'organisme.  A reactor leading to the chemical transformation of a compound interacting with the reactor will for example constitute a glucose killer, for example by transforming glucose into a compound that will be eliminated by the body.
Bien que l'invention et l'état de la technique soient décrits ici principalement dans le cas de bioélectrodes d'une biopile, on comprendra que l'invention s'applique de façon générale à tout réacteur implantable in vivo. Although the invention and the state of the art are described here mainly in the case of bioelectrodes of a biopile, it will be understood that the invention applies generally to any implantable reactor in vivo.
Exposé de l'art antérieur Presentation of the prior art
Divers types de biopiles à glucose-oxygène sont décrits dans l'art antérieur, par exemple dans la demande de brevet PCT/FR2009/050639 (B8606) . Dans ces biopiles connues, chaque électrode, anode et cathode, correspond à une enceinte contenant un milieu liquide dans lequel plonge un fil d'élec¬ trode. Les enceintes d'anode et de cathode sont délimitées par des membranes pouvant être traversées par l'hydrogène et l'oxy¬ gène mais évitant la circulation d'autres éléments plus lourds. Various types of glucose-oxygen biopiles are described in the prior art, for example in patent application PCT / FR2009 / 050639 (B8606). In these known biopiles, each electrode, anode and cathode, corresponds to an enclosure containing a liquid medium in which a wire élec ¬ trode. The anode and cathode enclosures are delimited by membranes which can be traversed by hydrogen and oxy ¬ gene but avoiding traffic other heavier elements.
L'anode comprend dans une solution une enzyme et un médiateur redox. L'enzyme est apte à catalyser l'oxydation du sucre et est par exemple choisie dans le groupe comprenant glucose-oxydase si le sucre est du glucose et lactose-oxydase si le sucre est du lactose. Le médiateur redox a un potentiel redox bas susceptible d'échanger des électrons avec l'enzyme d'anode et est par exemple choisi dans le groupe comprenant : ubiquinone (UQ) et ferrocène.  The anode comprises in a solution an enzyme and a redox mediator. The enzyme is capable of catalyzing the oxidation of sugar and is for example selected from the group comprising glucose oxidase if the sugar is glucose and lactose oxidase if the sugar is lactose. The redox mediator has a low redox potential capable of exchanging electrons with the anode enzyme and is for example selected from the group comprising: ubiquinone (UQ) and ferrocene.
La cathode comprend également dans une solution une enzyme et de préférence un médiateur redox. L'enzyme est apte à catalyser la réduction de l'oxygène et est par exemple choisie dans le groupe comprenant : polyphénol oxydase (PPO) , laccase et bilirubine oxydase. Le médiateur redox a un potentiel redox haut susceptible d'échanger des électrons avec l'enzyme de cathode et est par exemple choisi dans le groupe comprenant : hydroquinone (QH2) et 2, 2 ' -azinobis- (3-éthylbenzo-thiazoline-6-sulfonate) (ABTS ) .  The cathode also comprises in a solution an enzyme and preferably a redox mediator. The enzyme is capable of catalyzing the reduction of oxygen and is for example selected from the group comprising: polyphenol oxidase (PPO), laccase and bilirubin oxidase. The redox mediator has a high redox potential capable of exchanging electrons with the cathode enzyme and is for example chosen from the group comprising: hydroquinone (QH2) and 2,2'-azinobis- (3-ethylbenzo-thiazoline-6) -sulfonate) (ABTS).
Il se produit alors au niveau de l'anode et de la cathode des réactions du type suivant :  At the level of the anode and the cathode, reactions of the following type occur:
PPO  OPP
Cathode : QH2 + 1/2 02 Q + H20 Cathode: QH 2 + 1/2 0 2 Q + H 2 0
GOX  GOX
Anode : glucose + UQ gluconolactone + UQH2 Anode: glucose + UQ gluconolactone + UQH2
Cathode : Q + 2H+ + 2e~→QH2 Cathode: Q + 2H + + 2e ~ → QH 2
Anode : UQH2→UQ + 2H+ + 2e~ ces réactions étant données dans le cas particulier où le sucre est du glucose, l'enzyme d'anode est de la glucose-oxydase (GOX) , le médiateur redox d'anode est de l'ubiquinone (UQ) , l'enzyme de cathode est de la polyphénol oxydase (PPO) , et le médiateur redox de cathode est de la quinhydrone (()¾) . On obtient alors un potentiel d'anode de 20 mV et un potentiel de cathode de 250 mV, ce qui conduit à une différence de potentiel à courant nul de la biopile de 230 mV. Anode: UQH 2 → UQ + 2H + + 2e ~ these reactions being given in the particular case where the sugar is glucose, the anode enzyme is glucose oxidase (GOX), the redox anode mediator is ubiquinone (UQ), the enzyme of cathode is polyphenol oxidase (PPO), and the redox cathode mediator is quinhydrone (() ¾). An anode potential of 20 mV and a cathode potential of 250 mV are then obtained, which leads to a zero current potential difference of the 230 mV biopile.
De telles biopiles fonctionnent convenablement mais, notamment en ce qui concerne la biopile décrite dans la demande de brevet PCT/FR2009/050639, nécessitent que des conducteurs d'anode et de cathode trempent dans des enceintes contenant des liquides appropriés, ce qui constitue un inconvénient pratique dans de nombreux cas et rend notamment très difficile sinon impossible d'implanter de telles biopiles dans un être vivant.  Such biopiles work well but, particularly with regard to the biopile described in patent application PCT / FR2009 / 050639, require that anode conductors and cathode dip in enclosures containing appropriate liquids, which is a drawback practice in many cases and makes it particularly difficult if not impossible to implant such biopiles in a living being.
En effet, on cherche à implanter de telles biopiles dans des êtres vivants, notamment pour alimenter divers actionneurs, tels que des stimulateurs cardiaques, des sphincters artificiels, ou même des coeurs artificiels.  Indeed, one seeks to implant such biopiles in living beings, in particular to feed various actuators, such as pacemakers, artificial sphincters, or even artificial hearts.
On a proposé des biopiles à électrodes solides. Solid electrode biopiles have been proposed.
Toutefois, des biopiles utilisant de telles électrodes, notamment quand elles sont implantées dans un être vivant, ont présenté une faible durée de vie. However, biopiles using such electrodes, especially when they are implanted in a living being, have had a short life.
Une biopile à glucose d' oxygène implantable in vivo est décrite notamment dans le brevet européen EP 2 375 481 de la demanderesse (B10272) . Le contenu de ce brevet sera considéré ici comme connu et comme faisant partie intégrante de la présente description.  An oxygen glucose biopile implantable in vivo is described in particular in the European patent EP 2,375,481 of the Applicant (B10272). The contents of this patent will be considered here as known and as an integral part of the present description.
Dans ce brevet, il est proposé de fabriquer des pastilles d'anode et de cathode d'une biopile à partir d'une compression d'un conducteur tel que du graphite et d'une enzyme auxquels est ajouté un médiateur redox. La cathode et l'anode, ainsi que de préférence l'ensemble de l'anode et de la cathode, sont entourés d'une enceinte semi-perméable, par exemple du type utilisé en dialyse, pour laisser passer le glucose et l'oxygène et ne pas laisser passer les enzymes et les médiateurs redox. Le matériau conducteur à partir duquel sont effectuées la compres¬ sion d' anode et la compression de cathode est indiqué comme étant du graphite ou un polymère conducteur. In this patent, it is proposed to manufacture anode and cathode pellets of a biopile from a compression of a conductor such as graphite and an enzyme to which is added a redox mediator. The cathode and the anode, and preferably all of the anode and the cathode, are surrounded by a semi-permeable enclosure, for example of the type used in dialysis, to pass glucose and oxygen. and do not let enzymes and redox mediators pass. The conductive material from which are made the compres sion ¬ anode and the cathode of compression is indicated as graphite or a conductive polymer.
La figure 1 ci- ointe reproduit la figure 2 de ce brevet antérieur. On y voit une pastille d'anode A et une pastille de cathode K solidaires respectivement de conducteurs 1 et 3. L'anode est entourée d'une membrane semi-perméable 11, la cathode d'une membrane semi-perméable 12 et l'ensemble est entouré d'une membrane semi-perméable 13.  Figure 1 below reproduces Figure 2 of this prior patent. It shows an anode pellet A and a cathode pellet K integral respectively conductors 1 and 3. The anode is surrounded by a semipermeable membrane 11, the cathode of a semipermeable membrane 12 and the together is surrounded by a semi-permeable membrane 13.
Des résultats expérimentaux in vivo satisfaisants ont été obtenus avec les électrodes de biopile décrites dans ce brevet .  Satisfactory in vivo experimental results have been obtained with the biopile electrodes described in this patent.
Il est toutefois souhaitable d'améliorer encore la durée de vie des électrodes, c'est-à-dire la durée de fonctionnement de la biopile et d' améliorer au maximum la biocompatibilité de cette pile.  However, it is desirable to further improve the lifetime of the electrodes, that is to say the operating time of the biopile and to maximize the biocompatibility of this battery.
Plus généralement, il est souhaitable d'améliorer la durée de vie de bioréacteurs tels que définis ci-dessus.  More generally, it is desirable to improve the life of bioreactors as defined above.
Résumé summary
Ainsi, on prévoit ici un bioréacteur obtenu par compression d'un mélange d'une enzyme, d'un conducteur et de chitosane .  Thus, a bioreactor obtained by compression of a mixture of an enzyme, a conductor and chitosan is provided.
Selon un mode de réalisation, le conducteur est constitué de nanotubes de carbone.  According to one embodiment, the conductor consists of carbon nanotubes.
On prévoit aussi un procédé de fabrication d'un bioréacteur comprenant les étapes suivantes :  There is also provided a method of manufacturing a bioreactor comprising the following steps:
préparer un mélange de poudres dans laquelle la proportion de poudre d' enzyme par rapport à une poudre de nanotubes de carbone est de l'ordre de 50/50 en poids ;  preparing a mixture of powders in which the proportion of enzyme powder relative to a carbon nanotube powder is of the order of 50/50 by weight;
préparer une solution visqueuse de chitosane dans un rapport de 5 à 15 (en mg) de chitosane à 0,75 à 1,25 (en ml) d'acide acétique dilué à 0,4 à 0,6 % en volume dans de l'eau ; ajouter au mélange de poudres la chitosane visqueuse dans une proportion pondérale de 3 à 5 pour la poudre à 5 à 10 pour la chitosane ; prepare a viscous solution of chitosan in a ratio of 5 to 15 (in mg) of 0.75 to 1.25 chitosan (in ml) of acetic acid diluted to 0.4 to 0.6% by volume in water; add to the powder mixture the viscous chitosan in a weight ratio of 3 to 5 for the powder at 5 to 10 for chitosan;
procéder à une première compression puis à un broyage léger ;  make a first compression then a light grinding;
procéder à une deuxième compression pour réaliser une pastille ; et  perform a second compression to make a pellet; and
sécher à température ambiante.  dry at room temperature.
Selon un mode de réalisation, la pression appliquée pendant la première et la deuxième compression est située dans une plage de 2000 à 6000 kPa.  According to one embodiment, the pressure applied during the first and second compression is in a range of 2000 to 6000 kPa.
Selon un mode de réalisation, la solution comprend de 0,002 à 0,005 % en masse par volume de génipine.  According to one embodiment, the solution comprises from 0.002 to 0.005% by weight per volume of genipin.
Selon un mode de réalisation, la solution comprend de 0,001 à 0,005 % en masse par volume d'acide caféique.  According to one embodiment, the solution comprises from 0.001 to 0.005% by weight per volume of caffeic acid.
On prévoit aussi un bioréacteur dans lequel une membrane poreuse à base de chitosane est posée sur la face active et collée à la périphérie de celle-ci.  A bioreactor is also provided in which a porous membrane based on chitosan is placed on the active face and adhered to the periphery thereof.
Selon un mode de réalisation, le bioréacteur constitue une bioélectrode en forme de pastille, dans laquelle un conducteur est collé par l'intermédiaire d'une colle conductrice à la face de la pastille opposée à la face active.  According to one embodiment, the bioreactor is a lozenge-shaped bioelectrode in which a conductor is bonded via a conductive adhesive to the face of the tablet opposite to the active face.
Selon un mode de réalisation, la membrane comprend des pores d'un diamètre moyen de l'ordre de 1 à 10 nanomètres .  According to one embodiment, the membrane comprises pores with an average diameter of the order of 1 to 10 nanometers.
Selon un mode de réalisation, la membrane comprend une face lisse tournée vers la pastille et une face rugueuse tournée vers l'extérieur.  According to one embodiment, the membrane comprises a smooth face facing the pellet and a rough face facing outwards.
On prévoit aussi un procédé de fabrication d'une membrane poreuse pour un bioréacteur, comprenant les étapes suivantes :  There is also provided a method of manufacturing a porous membrane for a bioreactor, comprising the steps of:
préparer une solution dans un rapport de 5 à 15, (en mg) de chitosane à 0,75 à 1,25 (en ml) d'acide acétique dilué à 0,4 à 0,6 % dans de l'eau ;  prepare a solution in a ratio of 5 to 15 (in mg) of 0.75 to 1.25 chitosan (in ml) of acetic acid diluted to 0.4 to 0.6% in water;
agiter ;  shake ;
verser sur un support lisse ; et sécher pendant une durée de 2 à 4 jours à température ambiante . pour on a smooth support; and dry for 2 to 4 days at room temperature.
Brève description des dessins  Brief description of the drawings
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :  These and other features and advantages will be set forth in detail in the following description of particular embodiments in a non-limiting manner with reference to the accompanying drawings in which:
la figure 1 correspond à la figure 2 du brevet européen EP 2 375 481 ;  Figure 1 corresponds to Figure 2 of European Patent EP 2 375 481;
les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'un mode de réalisation d'une électrode ; et  Figures 2A and 2B are respectively a sectional view and a top view of an embodiment of an electrode; and
la figure 3 représente des caractéristiques de courant en fonction du temps de diverses biopiles .  FIG. 3 represents current characteristics as a function of time of various biopiles.
Description détaillée detailed description
Tout d'abord, on prévoit ici de fabriquer une pastille de bioélectrode non pas à partir de la compression de seulement un conducteur et une enzyme, mais à partir d'une compression de chitosane, d'une enzyme et d'un conducteur et éventuellement d'un médiateur redox et d'autres additifs. Le conducteur peut avantageusement être constitué de nanotubes de carbone multiparois (MWCNT - MultiWalled Carbon NanoTubes) .  First of all, it is intended here to manufacture a bioelectrode tablet not from the compression of only one conductor and an enzyme, but from a compression of chitosan, an enzyme and a conductor and possibly a redox mediator and other additives. The conductor may advantageously consist of multiwall carbon nanotubes (MWCNT - MultiWalled Carbon NanoTubes).
On prépare initialement un mélange de poudres d'une enzyme et de nanotubes de carbone, la proportion de poudre d'enzyme par rapport à la poudre de nanotubes de carbone étant de l'ordre de 50/50 en poids, cette proportion pouvant varier environ 20 %.  A mixture of powders of an enzyme and of carbon nanotubes is initially prepared, the proportion of enzyme powder relative to the carbon nanotube powder being of the order of 50/50 by weight, this proportion possibly varying approximately 20%.
On prépare également une solution visqueuse de chitosane en ajoutant de la poudre de chitosane dans de l'acide acétique dilué à 0,5 % en volume chauffé à 50°C, et en agitant pendant 2 heures à température ambiante.  A viscous chitosan solution is also prepared by adding chitosan powder in acetic acid diluted to 0.5 volume%, heated to 50 ° C, and stirring for 2 hours at room temperature.
On ajoute au mélange de poudres la chitosane visqueuse dans une proportion pondérale de 2 pour la poudre à 3 pour la chitosane. Pour une pastille on utilisera par exemple 0,04 gramme de poudre et 0,06 gramme de chitosane. On réalise un mélange de la poudre et de la chitosane à l'état visqueux et on procède à une première compression puis à un broyage léger. On réalise ensuite une deuxième compression, qui, comme la première compression, est effectuée à une pression choisie dans une plage de 2000 à 6000 kPa pour fournir une pastille, puis on procède à un séchage pendant deux à quatre jours à température ambiante (20 à 30°C) pour que l'ensemble se polymérise . The viscous chitosan is added to the powder mixture in a weight ratio of 2 for the powder to 3 for chitosan. For a pellet, for example, 0.04 gram of powder and 0.06 gram of chitosan will be used. A mixture of the powder and the chitosan in the viscous state is made and a first compression is carried out and then a light grinding. A second compression is then performed, which, like the first compression, is carried out at a pressure selected in the range of 2000 to 6000 kPa to provide a pellet, followed by drying for two to four days at room temperature (20 ° C). 30 ° C) so that the whole polymerizes.
On pourra ajouter au mélange initial un agent de réticulation, par exemple de la génipine à 0,0045 % en masse par volume (g/100 ml) dans la solution visqueuse de chitosane après 2h d'agitation. La génipine est préalablement solubilisée dans une solution de 12 % de diméthylsuifoxyde (DMSO) et 88 % d'eau (H20) . On pourra également pour améliorer la résistance de la membrane aux acides ajouter au mélange initial un produit tel que de l'acide caféique dans une proportion de 0,0032 % en masse par volume (g/100 ml) dans la solution visqueuse de chitosane. L'acide caféique est préalablement solubilisé à 4 % dans de l'éthanol. On laisse agiter la solution 30 min avant de prélever 3 g à étaler sur le support lisse pour le séchage comme décrit précédemment . It is possible to add to the initial mixture a crosslinking agent, for example genipin at 0.0045% by weight per volume (g / 100 ml) in the viscous solution of chitosan after 2 hours of stirring. The genipin is first solubilized in a solution of 12% dimethylsulfoxide (DMSO) and 88% water (H 2 O). It is also possible to improve the acidic membrane resistance by adding to the initial mixture a product such as caffeic acid in a proportion of 0.0032% by weight per volume (g / 100 ml) in the viscous chitosan solution. The caffeic acid is previously solubilized at 4% in ethanol. The solution is allowed to stir for 30 min before taking 3 g to spread on the smooth support for drying as previously described.
Une caractéristique du procédé décrit ici est que, lors de la deuxième compression et du séchage, la chitosane se met en fibres longues interconnectées d'un diamètre d'environ 30 nm. On soulignera le fait qu'un réseau tridimensionnel nanofibreux et nanoporeux est obtenu simplement par compression du polymère avec la poudre et évaporation du solvant à température ambiante. Il en résulte que l'enzyme et les nanotubes de carbone sont immobilisés dans la matrice de fibres de chitosane et ne migrent pas vers l'extérieur de la pastille. A feature of the process described herein is that during the second compression and drying, the chitosan is made into interconnected long fibers with a diameter of about 30 nm. It will be emphasized that a three-dimensional nanofibrous and nanoporous network is obtained simply by compression of the polymer with the powder and evaporation of the solvent at room temperature. As a result, the enzyme and carbon nanotubes are immobilized in the chitosan fiber matrix and do not migrate out of the pellet.
Ceci présente un avantage important car l'enzyme, piégée par la matrice de fibres, reste protégée et active pendant une longue durée. De plus, il convient de piéger les nanotubes de carbone, des questions se posant actuellement sur la nocivité éventuelle des nanotubes de carbone in vivo. Une biocathode comprenant seulement un conducteur et une enzyme, telle que décrite dans le brevet antérieur susmentionné, présente une stabilité de 1 mois en fonctionnement discontinu. Une biocathode à base de chitosane-MWCNT-laccase, telle que décrite ici, présente une stabilité supérieure à 2 mois en fonctionnement continu. Des mesures in vitro montrent que la stabilité en fonctionnement discontinu de la biocathode décrite ici dépasse les six mois. De plus cette stabilité est aussi assurée in vivo pour une période supérieure à 200 jours. Ceci démontre que la bioélectrode décrite ici offre à l'enzyme un environnement protecteur à son activité mais aussi retient l'enzyme à l'intérieur de la pastille d'électrode et à proximité des nanotubes de carbone pour la conduction électrique. La porosité de la matrice tridimensionnelle de chitosane permet une bonne diffusion des substrats de l'enzyme. This has a significant advantage because the enzyme, trapped by the fiber matrix, remains protected and active for a long time. In addition, it is necessary to trap carbon nanotubes, questions currently posed on the possible harmfulness of carbon nanotubes in vivo. A biocathode comprising only a conductor and an enzyme, as described in the aforementioned prior patent, has a 1-month stability in batch operation. A biocathode based on chitosan-MWCNT-laccase, as described herein, has a stability greater than 2 months in continuous operation. In vitro measurements show that the discontinuous operation stability of the biocathode described here exceeds six months. In addition, this stability is also ensured in vivo for a period greater than 200 days. This demonstrates that the bioelectrode described here provides the enzyme with a protective environment for its activity but also retains the enzyme within the electrode pellet and near the carbon nanotubes for electrical conduction. The porosity of the three-dimensional matrix of chitosan allows a good diffusion of the substrates of the enzyme.
A titre de variante, au lieu d'utiliser des nanotubes de carbone, on pourra utiliser comme conducteur du graphène, de la poudre d'or ou un polymère conducteur tel que de la polyaniline .  As an alternative, instead of using carbon nanotubes, graphene, gold powder or a conductive polymer such as polyaniline can be used as the conductor.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Particular embodiments have been described.
Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le polymère peut être de la chitosane ou autre polymère biocompatible par exemple : alcool polyvinylique, poly (méthylméthacrylate) , gélatine, dextrane, ou copolymères comme le chitosane-polyéthylène glycol ou un mélange de ces polymères . Various variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. In particular, the polymer may be chitosan or other biocompatible polymer, for example: polyvinyl alcohol, poly (methylmethacrylate), gelatin, dextran, or copolymers such as chitosan-polyethylene glycol or a mixture of these polymers.
Le procédé de fabrication des électrodes à base de polymère conducteur et d'enzyme peut être appliqué à la cathode ou à l'anode. Différentes enzymes peuvent être immobilisées dans cette structure : laccase, bilirubine-oxydase, polyphénol- oxydase, glucose-oxydase, glucose-déshydrogénase, catalase, peroxydase .  The method of manufacturing conductive polymer and enzyme electrodes can be applied to the cathode or the anode. Different enzymes can be immobilized in this structure: laccase, bilirubin oxidase, polyphenol oxidase, glucose oxidase, glucose dehydrogenase, catalase, peroxidase.
Selon un autre aspect de la présente invention, on prévoit une membrane filtrante particulière pour une bioélectrode enzymatique telle que ci-dessus ou toute autre bioélectrode enzymatique obtenue par compression d'un conducteur, d'une enzyme et éventuellement d'un médiateur redox - le médiateur redox n'étant pas indispensable dans la cathode. According to another aspect of the present invention, there is provided a particular filter membrane for an enzymatic bioelectrode as above or any other enzymatic bioelectrode obtained by compression of a conductor, an enzyme and optionally a redox mediator - the redox mediator is not indispensable in the cathode.
Comme l'illustrent les figures 2A et 2B, l'électrode se présente sous forme d'une pastille 20 ayant par exemple une forme circulaire en vue de dessus, un diamètre de 0,5 à 1 cm et une épaisseur de 0,5 à 2 mm. Sur la face inférieure de la pastille 20 est fixé un ruban conducteur 22 par exemple par une colle conductrice, par exemple une pâte de carbone 24 elle-même revêtue d'une couche protectrice de colle au silicone 25, choisie parmi des colles biocompatibles. Sur la face supérieure de la pastille 20 est posée - et non pas déposée - une membrane 26 collée à sa périphérie à la pastille par un anneau de colle au silicone 28.  As illustrated in FIGS. 2A and 2B, the electrode is in the form of a tablet 20 having for example a circular shape in plan view, a diameter of 0.5 to 1 cm and a thickness of 0.5 to 2 mm. On the lower face of the wafer 20 is fixed a conductive strip 22 for example by a conductive adhesive, for example a carbon paste 24 itself coated with a protective layer of silicone adhesive 25, selected from biocompatible glues. On the upper face of the pellet 20 is placed - and not deposited - a membrane 26 bonded at its periphery to the pellet by a ring of silicone glue 28.
On prévoit ici d'utiliser pour la membrane 26 une membrane à base de chitosane. Cette membrane est par exemple obtenue en partant d'une solution dans un rapport de 5 à 15, par exemple 10 (en mg) de chitosane à 0,75 à 1,25, par exemple 1 (en ml) d'acide acétique dilué à 0,4 à 0,6 % en volume dans de l'eau et chauffé à 50°C. Dans un essai, on a réalisé une dissolution de 200 mg de chitosane dans 20 ml d'acide acétique dilué à 0,5 % en volume dans de l'eau. Ce mélange est agité pendant deux heures. Ensuite, on a prélevé 3 g de ce mélange qu'on a étalé sur un support lisse non adhésif (diamètre 28 cm) , par exemple une coupelle de polystyrène antistatique, et séché pendant une durée de 2 à 4 jours à température ambiante, par exemple à une température de 20 à 30 °C. Dans un essai, on a séché pendant trois jours à 25°C.  It is intended here to use for membrane 26 a membrane based on chitosan. This membrane is for example obtained starting from a solution in a ratio of 5 to 15, for example 10 (in mg) of chitosan at 0.75 to 1.25, for example 1 (in ml) of diluted acetic acid. 0.4 to 0.6% by volume in water and heated to 50 ° C. In one test, 200 mg of chitosan were dissolved in 20 ml of acetic acid diluted to 0.5% by volume in water. This mixture is stirred for two hours. Then, 3 g of this mixture were taken and spread on a non-adhesive smooth support (diameter 28 cm), for example an antistatic polystyrene cup, and dried for 2 to 4 days at room temperature, by example at a temperature of 20 to 30 ° C. In one test, it was dried for three days at 25 ° C.
On obtient ainsi un film nanoporeux flexible. Des expériences effectuées par la demanderesse ont montré que cette flexibilité était liée au fait que le séchage est effectué pendant une longue durée à température ambiante. Cette caractéristique n'est pas obtenue par exemple si l'on utilise des températures de séchage supérieures à 40 °C. Pour une épaisseur de film de l'ordre de 7 à 15 um, par exemple 10 um, on a obtenu une membrane poreuse avec des diamètres moyens de pores de l'ordre de 1 à 10 nanomètres. On préférera se placer dans des conditions où ce diamètre moyen est de l'ordre de 5 à 8 nm pour permettre de laisser passer le glucose et de filtrer les composés de plus grandes dimensions. A flexible nanoporous film is thus obtained. Experiments carried out by the applicant have shown that this flexibility is related to the fact that the drying is carried out for a long time at ambient temperature. This characteristic is not obtained for example if drying temperatures above 40 ° C are used. For a film thickness of the order of 7 to 15 μm, for example 10 μm, obtained a porous membrane with average pore diameters of the order of 1 to 10 nanometers. It is preferable to place oneself in conditions where this average diameter is of the order of 5 to 8 nm in order to allow the glucose to pass and to filter the compounds of larger dimensions.
Comme dans le cadre de la réalisation d'une pastille, on pourra ajouter au mélange initial un agent de réticulation, par exemple de la génipine, et un agent de résistance aux acides, par exemple de l'acide caféique.  As in the context of making a pellet, it may be added to the initial mixture a crosslinking agent, for example genipin, and an acid-resistant agent, for example caffeic acid.
Le film obtenu présente une différence de rugosité entre les deux faces qui est due au fait que l'une des faces (la plus rugueuse) a été au contact de l'air et non du support (face lisse) . Lors du montage, on placera de préférence la face rugueuse vers l'extérieur par rapport à la surface de la pastille de bioélectrode. En effet, la différence de rugosité sur un film mince influence la diffusion ionique et par conséquent, la résistivité électrique. Les inventeurs ont montré que le film de chitosane présente une bonne conductivité ionique (10~4 S. cm-1). Cette conductivité ionique est meilleure que celle obtenue avec des membranes commerciales telles que le Nation ou l'acétate de cellulose. The film obtained has a difference in roughness between the two faces which is due to the fact that one of the faces (the rougher) has been in contact with the air and not the support (smooth side). During assembly, the rough surface will preferably be placed outwards with respect to the surface of the bioelectrode pellet. Indeed, the difference in roughness on a thin film influences the ion diffusion and consequently the electrical resistivity. The inventors have shown that the chitosan film has good ionic conductivity (10 ~ 4 S. cm -1 ). This ionic conductivity is better than that obtained with commercial membranes such as Nation or cellulose acetate.
Le film de chitosane décrit ici permet, par ses propriétés mécaniques notamment sa flexibilité et son taux de gonflement adéquat, de conférer une stabilité mécanique à l'électrode en épousant la surface de la pastille après gonflement de celle-ci dans le liquide. Il confère une interface biocompatible au contact des tissus après implantation de la biopile. Il constitue une barrière efficace contre un éventuel relargage des constituants de l'électrode d'une part, et contre les molécules biologiques venant du liquide extra-cellulaire.  The chitosan film described here makes it possible, by virtue of its mechanical properties, in particular its flexibility and its adequate degree of swelling, to confer a mechanical stability on the electrode by marrying the surface of the pellet after swelling thereof in the liquid. It confers a biocompatible interface to the tissue contact after implantation of the biopile. It constitutes an effective barrier against a possible release of the constituents of the electrode on the one hand, and against the biological molecules coming from the extracellular liquid.
On pourra régler le diamètre des pores en modifiant : la concentration de la chitosane dans le solvant (acide acétique) , le ratio chitosane/agent de réticulation, le poids moléculaire de la chitosane en poudre mis dans la solution initiale d'acide acétique. La figure 3 représente une caractéristique de courant en mA/ml (les millilitres correspondant au volume de la pastille) en fonction du temps en jours pour diverses biopiles. La courbe A correspond au cas où on a utilisé une membrane d'acétate de cellulose, la courbe B au cas où on a utilisé une membrane de Nation, et la courbe C au cas où on a utilisé une membrane à base de chitosane telle que décrite précédemment. On constate que le courant (négatif) est nettement plus important dans le cas de la membrane à base de chitosane et que les caractéristiques de la biocellule ne se dégradent pas, bien au contraire, en fonction du temps. Par contre, on note que pour l'acétate de cellulose, la caractéristique part d'une valeur de -0,15 et chute à une valeur de l'ordre de -0,05 au bout d'environ 70 jours. Avec une membrane en Nation, on obtient une caractéristique relativement constante mais des densités de courant deux à trois fois plus faibles qu'avec une membrane à base de chitosane. The pore diameter can be adjusted by modifying: the concentration of the chitosan in the solvent (acetic acid), the ratio chitosan / crosslinking agent, the molecular weight of the chitosan powder placed in the initial solution of acetic acid. Figure 3 shows a current characteristic in mA / ml (the milliliters corresponding to the volume of the pellet) as a function of time in days for various biopiles. Curve A corresponds to the case where a cellulose acetate membrane was used, curve B in the case where a Nation membrane was used, and curve C in the case where a chitosan-based membrane was used such that previously described. It can be seen that the (negative) current is much larger in the case of the chitosan membrane and that the characteristics of the biocell do not degrade, quite the opposite, as a function of time. On the other hand, it is noted that for cellulose acetate, the characteristic starts from a value of -0.15 and falls to a value of about -0.05 after about 70 days. With a membrane in Nation, a relatively constant characteristic is obtained but current densities two to three times lower than with a membrane based on chitosan.
Bien que l'invention et l'état de la technique soient décrits ici principalement dans le cas d'une bioélectrode, on comprendra que l'invention s'applique de façon générale à tout bioréacteur implantable in vivo, tel que défini en tête de la présente description.  Although the invention and the state of the art are described here mainly in the case of a bioelectrode, it will be understood that the invention applies generally to any implantable bioreactor in vivo, as defined at the beginning of the this description.

Claims

REVENDICATIONS
1. Bioréacteur obtenu par compression d'un mélange d'une enzyme, d'un conducteur et de chitosane. 1. Bioreactor obtained by compression of a mixture of an enzyme, a conductor and chitosan.
2. Bioréacteur selon la revendication 1, dans lequel le conducteur est constitué de nanotubes de carbone.  2. Bioreactor according to claim 1, wherein the conductor consists of carbon nanotubes.
3. Procédé de fabrication d'un bioréacteur selon la revendication 1 ou 2, comprenant les étapes suivantes :  3. A method of manufacturing a bioreactor according to claim 1 or 2, comprising the following steps:
préparer un mélange de poudres dans laquelle la proportion de poudre d' enzyme par rapport à une poudre de nanotubes de carbone est de l'ordre de 50/50 en poids ;  preparing a mixture of powders in which the proportion of enzyme powder relative to a carbon nanotube powder is of the order of 50/50 by weight;
préparer une solution visqueuse de chitosane dans un rapport de 5 à 15 (en mg) de chitosane à 0,75 à 1,25 (en ml) d'acide acétique dilué à 0,4 à 0,6 % en volume dans de l'eau ;  prepare a viscous solution of chitosan in a ratio of 5 to 15 (in mg) of 0.75 to 1.25 chitosan (in ml) of acetic acid diluted to 0.4 to 0.6% by volume in water;
ajouter au mélange de poudres la chitosane visqueuse dans une proportion pondérale de 3 à 5 pour la poudre à 5 à 10 pour la chitosane ;  add to the powder mixture the viscous chitosan in a weight ratio of 3 to 5 for the powder at 5 to 10 for chitosan;
procéder à une première compression puis à un broyage léger ;  make a first compression then a light grinding;
procéder à une deuxième compression pour réaliser une pastille ; et  perform a second compression to make a pellet; and
sécher à température ambiante.  dry at room temperature.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la pression appliquée pendant la première et la deuxième compression est située dans une plage de 2000 à 6000 kPa.  The method of claim 3, wherein the pressure applied during the first and second compression is in the range of 2000 to 6000 kPa.
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la solution comprend de 0, 002 à 0, 005 % en masse par volume de génipine .  The method of claim 3 or 4, wherein the solution comprises from 0.002 to 0.005 wt.% By volume of genipin.
6. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la solution comprend de 0, 001 à 0, 005 % en masse par volume d'acide caféique.  6. A process according to claim 3 or 4, wherein the solution comprises from 0.001 to 0.005% by weight per volume of caffeic acid.
7. Bioréacteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une membrane poreuse (26) à base de chitosane est posée sur une face active du bioréacteur et collée à la périphérie de celle-ci . 7. Bioreactor according to claim 1 or 2, wherein a porous membrane (26) based on chitosan is placed on an active side of the bioreactor and bonded to the periphery thereof.
8. Bioréacteur selon la revendication 7 constituant une bioélectrode en forme de pastille (20) , dans laquelle un conducteur (22) est collé par l'intermédiaire d'une colle conductrice (24) à la face de la pastille opposée à la face active . 8. Bioreactor according to claim 7 constituting a lozenge-shaped bioelectrode (20), in which a conductor (22) is bonded via a conductive adhesive (24) to the face of the tablet opposite to the active face. .
9. Bioréacteur selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la membrane comprend des pores d'un diamètre moyen de l'ordre de 1 à 10 nanomètres .  9. Bioreactor according to claim 7 or 8, wherein the membrane comprises pores with an average diameter of the order of 1 to 10 nanometers.
10. Bioréacteur selon l'une quelconque des revendi¬ cations 7 à 9, dans lequel la membrane comprend une face lisse tournée vers la pastille et une face rugueuse tournée vers 1 ' extérieur. 10. Bioreactor according to any one of revendi ¬ cations 7 to 9, wherein the membrane comprises a smooth face facing the pellet and a rough face facing outwardly.
11. Procédé de fabrication d'une membrane poreuse pour un bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant les étapes suivantes :  11. A method of manufacturing a porous membrane for a bioreactor according to any one of claims 7 to 9, comprising the following steps:
préparer une solution dans un rapport de 5 à 15, (en mg) de chitosane à 0,75 à 1,25 (en ml) d'acide acétique dilué à 0,4 à 0,6 % dans de l'eau ;  prepare a solution in a ratio of 5 to 15 (in mg) of 0.75 to 1.25 chitosan (in ml) of acetic acid diluted to 0.4 to 0.6% in water;
agiter ;  shake ;
verser sur un support lisse ; et  pour on a smooth support; and
sécher pendant une durée de 2 à 4 jours à température ambiante .  dry for 2 to 4 days at room temperature.
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